C++：快速入门篇

C++:.cpp(面向对象)

C语音：.c(面向过程)是为了弥补C的不足

命名冲突：

1.写的跟库冲突

2.自己写的互相冲突

1.命名空间

在C/C++中，变量、函数和后面要学到的类都是大量存在的，这些变量、函数和类的名称将都存在于全局作用域中，可能会导致很多冲突。使用命名空间的目的是对标识符的名称进行本地化，以避免命名冲突或名字污染，namespace关键字的出现就是针对这种问题的。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

//全局变量
int rand = 100;

int main()
{
    printf("%d\n", rand);
    return 0;
}

上面的代码运行打印出来的是什么呢？

在上面的代码运行中，打印出来的是一串数字。

我定义的是全局变量rand，为什么打印的是数字呢？

因为在<stdlib.h>中有一个rand()函数，以整形打印就是一串数字。

C语言没办法解决类似这样的命名冲突问题，所以C++提出了namespace来解决！

1.1.命名空间的定义与应用：

定义命名空间，需要使用到namespace关键字，后面跟命名空间的名字(自定义名字)，然后接一对{ }即可，{ }中即为命名空间的成员。

:: 域作用限定符

在头文件加上：using namespace std 表示此页面下的关键字都优先使用库函数中的关键字。

而在我们自己定义了一个命名空间后，就可以在头文件上包含：

例如：下方代码里定义的N1，此时我们在头文件直接：using namespace N1；就可以在代码块中直接应用而不需要加N1::了。

第一种：命名空间中定义变量/函数/类型

namespace N1
{
    // 命名空间中可以定义变量/函数/类型
    int rand = 100;
}

int main()
{
    printf("%d\n", N1::rand);
    return 0;
}

第二种：命名空间的嵌套

namespace N1
{
    int rand = 100;

    namespace N2
    {
        int rand = 200;
    }
}

int main()
{
    printf("%d\n", N1::rand);
    printf("%d\n", N2::rand);
    return 0;
}

第三种：定义相同的命名空间(同一个工程中允许存在多个相同名称的命名空间,编译器最后会合成同一个命名空间中)

namespace N1
{
    int num = 300;
}

namespace N1
{
    int rand = 100;
}

int main()
{
    printf("%d\n", N1::num);
    printf("%d\n", N2::rand);
    return 0;
}

注意：一个命名空间就定义了一个新的作用域，命名空间中的所有内容都局限于该命名空间中。

2.输入和输出：

#include <iostream>
// std是C++标准库的命名空间名，C++将标准库的定义实现都放到这个命名空间中
//我们自己在测试时可以直接包含标准库，在公司中一般是不直接包含，可能会造成重名出错
using namespace std;

int main()
{
    cout<<"Hello world!!!"<<endl;
    return 0;
}

说明：
        1. 使用cout标准输出对象(控制台)和cin标准输入对象(键盘)时，必须包含< iostream >头文件以及按命名空间使用方法使用std。
        2. cout和cin是全局的流对象，endl是特殊的C++符号，表示换行输出，他们都包含在包含<iostream >头文件中。
        3. <<是流插入运算符，>>是流提取运算符。
        4. 使用C++输入输出更方便，不需要像printf/scanf输入输出时那样，需要手动控制格式。C++的输入输出可以自动识别变量类型。
        5. 实际上cout和cin分别是ostream和istream类型的对象，>>和<<也涉及运算符重载等知识，这些知识我们我们后续才会学习，所以我们这里只是简单学习他们的使用。

std命名空间的使用惯例：

std是C++标准库的命名空间，如何展开std更合理呢？

1. 在日常练习中，建议直接using namespace std即可，这样就很方便。
2. using namespace std展开，标准库就全部暴露出来了，如果我们定义跟库重名的类型/对象/函数，就存在冲突问题。该问题在日常练习中很少出现，但是项目开发中代码较多、规模大，就很容易出现。所以建议在项目开发中使用，像std::cout这样使用时指定命名空间 +using std::cout展开常用的库对象/类型等方式。

//指定展开
using std::cout;
using std::endl;

3.缺省参数：

概念：

缺省参数是声明或定义函数时为函数的参数指定一个缺省值。在调用该函数时，如果没有指定实参则采用该形参的缺省值，否则使用指定的实参。

void Func(int a = 0)
{
    cout<<a<<endl;
}
int main()
{
    Func(); // 没有传参时，使用参数的默认值
    Func(10); // 传参时，使用指定的实参
    return 0;
}

分类：

全缺省参数：

void Func(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
{
    cout<<"a = "<<a<<endl;
    cout<<"b = "<<b<<endl;
    cout<<"c = "<<c<<endl;
}

半缺省参数：

void Func(int a, int b, int c = 20)
{
    cout<<"a = "<<a<<endl;
    cout<<"b = "<<b<<endl;
    cout<<"c = "<<c<<endl;
}

注意：

        1. 半缺省参数必须从右往左依次来给出，不能间隔着给；
        2. 缺省参数不能在函数声明(头文件.h)和定义(.cpp)中同时出现；

        3. 缺省值必须是常量或者全局变量；
        4. C语言不支持（编译器不支持）

4.函数重载

概念：

函数重载：是函数的一种特殊情况，C++允许在同一作用域中声明几个功能类似的同名函数，这些同名函数的形参列表(参数个数或类型或类型顺序)不同，常用来处理实现功能类似数据类型不同的问题。

分类:

参数类型不同：

int Add(int left, int right)
{
    cout << "int Add(int left, int right)" << endl;


    return left + right;
}

double Add(double left, double right)
{
    cout << "double Add(double left, double right)" << endl;

    return left + right;
}

int main()
{
    Add(10, 20);
    Add(10.1, 20.2);

    return 0;
}

参数个数不同：

void f()
{
    cout << "f()" << endl;
}

void f(int a)
{
    cout << "f(int a)" << endl;
}

int main()
{

    f();
    f(10);

    return 0;
}

参数顺序不同：

void f(int a, char b)
{
    cout << "f(int a,char b)" << endl;
}

void f(char b, int a)
{
    cout << "f(char b, int a)" << endl;
}

int main()
{
    f(10, 'a');
    f('a', 10);
    return 0;
}

C++支持重载的原理----名字修饰

在C/C++中，一个程序要运行起来，需要经历以下几个阶段：预处理、编译、汇编、链接。

预处理：头文件展开、宏替换、条件编译、去注释 ……

此时生成 Func.i(函数声明和定义) Test.i(函数声明和实际调用函数)

编译：检查语法、生成汇编代码

此时 Func.i ->Func.s Test.i->Test.s

汇编：转换成二进制的机器码

此时 Func.s->Func.o Test.s->Test.o

链接：将Func..o和Test.o和并成a.out，链接一些没有确定地址的函数……

        在C语言链接函数地址时，就用函数名去找。(C语言中不存在同名函数)；

补充知识：

Linux 函数名修饰规则：

_Z + 函数名字符个数 + 函数名 + 参数类型首字母



在Linux下进行操作：

C语言编译器编译：

C++编译器编译：

结论：

        在linux下，采用gcc编译完成后，函数名字的修饰没有发生改变。

        在linux下，采用g++编译完成后，函数名字的修饰发生改变，编译器将函数参
数类型信息添加到修改后的名字中。

Windows下名字修饰规则：

1.通过这里就理解了C语言没办法支持重载，因为同名函数没办法区分。而C++是通过函数修饰规则来区分，只要参数不同，修饰出来的名字就不一样，就支持了重载。

2.如果两个函数函数名和参数是一样的，返回值不同是不构成重载的，因为调用时编译器没办法区分。

5.引用

概念：

引用不是新定义一个变量，而是给已存在变量取了一个别名，编译器不会为引用变量开辟内存空间，它和它引用的变量共用同一块内存空间。

比如：

孙悟空(原名)--->弼马温(别名)

齐天大圣(别名)--->大圣(别名的简称)

格式：类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int a = 1;
	int b = a;

	int& c = a;
	int& d = a;
	int& e = c;

	cout << &a << endl;
	cout << &c << endl;
	cout << &d << endl;
	cout << &e << endl;

	return 0;
}
注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

特性：

1. 引用在定义时必须初始化
2. 一个变量可以有多个引用
3. 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体(不能改变引用对象)

void TestRef()
{
    int a = 10;
    // int& ra; // 该条语句编译时会出错(没有初始化)
    int& ra = a;
    int& rra = a;
    printf("%p %p %p\n", &a, &ra, &rra);
}

常引用：

void TestConstRef()
{
    
    const int a = 10;
    //权限不能放大
    //int& ra = a; // 该语句编译时会出错，a为常量
    const int& ra = a;

    // int& b = 10; // 该语句编译时会出错，b为常量
    const int& b = 10;
    
    //权限可以缩小
    double d = 12.34;
    //int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
    const int& rd = d;
}

1.权限不能放大；

2.权限可以缩小。

使用场景：

做函数参数：

void Swap(int& left, int& right)
{
    int temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

做函数返回值：

int& Count()
{
    static int n = 0;
    n++;

    return n;
}

下面是一个有问题的代码，这里不能用引用返回，否则为一个不确定的值有问题的代码:

int& Add(int a, int b)
{
    int c = a + b;
    return c;
}

int main()
{
    //有问题的代码，这里不能用引用返回，否则为一个不确定的值
    int& ret = Add(1, 2);
    cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;//3
    Add(3, 4);
    cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;//7
    return 0;
}

在这里返回值应该是不确定，取决于是否清理栈帧！！！

由于我们这里是用VS编译器进行编译，在VS出栈没有清理栈帧，所以导致这里打印出的是需要的到的值！

注意：如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还在(还没还给系统)，则可以使用
引用返回，如果已经还给系统了，则必须使用传值返回。

问：什么时候才能用引用返回呢？

答：出了作用域，没有被销毁才能用：静态变量，malloc开辟的……

扩展知识(类型替换)：

例如：

int a = 10;

double b = a;

此时类型的改变过程中会创建一个临时变量，记录类型改变后的值，原来的值( a )不改变。

传值、传引用效率比较：

以值作为参数或者返回值类型，在传参和返回期间，函数不会直接传递实参或者将变量本身直接返回，而是传递实参或者返回变量的一份临时的拷贝，因此用值作为参数或者返回值类型，效率是非常低下的，尤其是当参数或者返回值类型非常大时，效率就更低。

值和引用的作为参数的性能比较：

#include <time.h>
struct A { int a[10000]; };

void TestFunc1(A aa) {}

void TestFunc2(A& aa) {}

void TestRefAndValue()
{
	A a;
	// 以值作为函数参数
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
		TestFunc1(a);
	size_t end1 = clock();

	// 以引用作为函数参数
	size_t begin2 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
		TestFunc2(a);
	size_t end2 = clock();

	// 分别计算两个函数运行结束后的时间
	cout << "TestFunc1(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "TestFunc2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}

值和引用的作为返回值类型的性能比较：

#include <time.h>
struct A { int a[10000]; };

A a;
// 值返回
A TestFunc1() { return a; }
// 引用返回
A& TestFunc2() { return a; }

void TestReturnByRefOrValue()
{
	// 以值作为函数的返回值类型
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		TestFunc1();
	size_t end1 = clock();

	// 以引用作为函数的返回值类型
	size_t begin2 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		TestFunc2();
	size_t end2 = clock();

	// 计算两个函数运算完成之后的时间
	cout << "TestFunc1 time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "TestFunc2 time:" << end2 - begin2 << endl;
}

通过上述代码的比较，发现传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。

引用和指针的区别：

在语法概念上引用就是一个别名，没有独立空间，和其引用实体共用同一块空间。

int main()
{
    int a = 10;
    int& ra = a;
    cout<<"&a = "<<&a<<endl;
    cout<<"&ra = "<<&ra<<endl;

    return 0;
}

在底层实现上实际是有空间的，可以通过汇编来观察引用是按照指针方式来实现的。

int main()
{
    int a = 10;
    int& ra = a;
    ra = 20;
    int* pa = &a;
    *pa = 20;

    return 0;
}

引用和指针的不同点:
        1. 引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址。
        2. 引用在定义时必须初始化，指针没有要求
        3. 引用在初始化时引用一个实体后，就不能再引用其他实体，而指针可以在任何时候指向任何一个同类型实体
        4. 没有NULL引用，但有NULL指针
        5. 在sizeof中含义不同：引用结果为引用类型的大小，但指针始终是地址空间所占字节个数(32位平台下占4个字节,64位平台下占8个字节)
        6. 引用自加即引用的实体增加1，指针自加即指针向后偏移一个类型的大小
        7. 有多级指针，但是没有多级引用
        8. 访问实体方式不同，指针需要显式解引用，引用编译器自己处理
        9. 引用比指针使用起来相对更安全

6.内联函数：

概念：

以inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调用内联函数的地方展开，没有函数调用建立栈帧的开销，内联函数提升程序运行的效率。

可以看到在没有添加关键字inline前是过地址去调用Add函数，而加了inline关键字后是内联函数，在编译期间编译器会将函数体与函数调用进行替换到Add()调用的位置，此时就是Add函数展开，就不需要压栈。

特性：

        1. inline是一种以空间换时间的做法，如果编译器将函数当成内联函数处理，在编译阶段，会用函数体替换函数调用，缺陷：可能会使目标文件变大，优势：少了调用开销，提高程序运行效率。
        2. inline对于编译器而言只是一个建议，不同编译器关于inline实现机制可能不同，一般建议：将函数规模较小(即函数不是很长，具体没有准确的说法，取决于编译器内部实现)、不是递归、且频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline特性。

        3. inline不建议声明和定义分离，分离会导致链接错误。因为inline被展开，就没有函数地址了，链接就会找不到。

举例：

此时打开反汇编就可以看到，函数调用没有被替换，而是根据函数地址去调用了函数，说明编译器的优化将较长的函数调用忽略，继续采用函数调用。

inline int Add(int x, int y)
{
	int c = x + y;
	int c1 = x + y;
	int c2 = x + y;
	int c3 = x + y;
	int c4 = x + y;
	int c5 = x + y;
	int c6 = x + y;
	int c7 = x + y;
	int c8 = x + y;
	int c9 = x + y*c8;
	int c10 = x + y;
	int c11 = x + y;
	return c1+c10-c9;
}

int main()
{
	int ret1 = Add(1, 2);
	int ret3 = Add(1, 2);


	// 优点：不用建立栈帧，提高效率
	int ret2 = ADD(1, 2);

	return 0;
}

扩展知识：

宏的优点：

        1.增强代码的复用性。
        2.提高性能。

宏的缺点：

        1.不方便调试宏。（因为预编译阶段进行了替换）
        2.导致代码可读性差，可维护性差，容易出错，语法细节较多。
        3.没有类型安全的检查。

C++有哪些技术替代宏？
1. 常量定义换用const enum
2. 短小函数定义换用内联函数
enum const inline 替代宏
enum const -> 宏常量
inline ->宏函数

7.auto 关键字

类型别名的由来：

随着程序越来越复杂，程序中用到的类型也越来越复杂，经常体现在：
1. 类型难于拼写

2. 含义不明确导致容易出错

#include <string>
#include <map>

int main() 
{    
    std::map<std::string, std::string> m{ { "apple", "苹果" }, { "orange", "橙子" },                                        {"pear","梨"} };
    std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();
    while (it != m.end())
    {        
        //....    
    }
    return 0;
}

std::map<std::string, std::string>::iterator是一个类型，由于类型太长，可以使用typedef给类型取一个别名，但是这样在编程时，常常需要把表达式的值赋值给变量，这就要求在声明变量的时候清楚地知道表达式的类型。然而有时候要做到这点并非那么容易，因此C++11给auto赋予了新的含义。

auto简介：

在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量，但遗憾的是一直没有人去使用它，大家可思考下为什么？

C++11中，标准委员会赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。

#include <iostream>
using namespace std;

int TestAuto()
{
	return 10;
}
int main()
{
	int a = 10;
	auto b = a;
	auto c = 'a';
	auto d = TestAuto();
	cout << typeid(b).name() << endl;
	cout << typeid(c).name() << endl;
	cout << typeid(d).name() << endl;
	//auto e; 无法通过编译，使用auto定义变量时必须对其进行初始化
	return 0;
}

注意：

使用auto定义变量时必须对其进行初始化，在编译阶段编译器需要根据初始化表达式来推导auto 的实际类型。因此auto并非是一种“类型”的声明，而是一个类型声明时的“占位符”，编译器在编译期会将auto替换为变量实际的类型。

auto的使用规则：

auto与指针和引用的结合使用：

用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&。

#include <iostream>
using namespace std;


int main()
{
    int x = 10;
    auto a = &x;
    auto* b = &x;
    auto& c = x;
    cout << typeid(a).name() << endl;
    cout << typeid(b).name() << endl;
    cout << typeid(c).name() << endl;
    *a = 20;
    *b = 30;
     c = 40;
    return 0;
}

在同一行定义多个变量：

当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。

void TestAuto()
{
    auto a = 1, b = 2;
    auto c = 3, d = 4.0;  // 该行代码会编译失败，因为c和d的初始化表达式类型不同
}

auto不能推导的场景：

1.auto不能作为函数的参数，不能作为函数返回值：

// 此处代码编译失败，auto不能作为形参类型，因为编译器无法对a的实际类型进行推导
void TestAuto(auto a)
{}

auto TestAuto(int a)
{}

2.auto不能直接用来声明数组：

void TestAuto()
{
    int a[] = {1,2,3};
    auto b[] = {4，5，6};
}

3. 为了避免与C++98中的auto发生混淆，C++11只保留了auto作为类型指示符的用法

4. auto在实际中最常见的优势用法就是跟以后会讲到的C++11提供的新式for循环，还有 lambda表达式等进行配合使用。

8.基于范围的for循环(C++11)

范围for的语法：

在C++98中如果要遍历一个数组，可以按照以下方式进行:

void TestFor()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
         array[i] *= 2;
    for (int* p = array; p < array + sizeof(array)/ sizeof(array[0]); ++p)
         cout << *p << endl;
}

对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围。

void TestFor()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    for(auto& e : array)
         e *= 2;
    for(auto e : array)
         cout << e << " ";
    return 0;
}

注意：

与普通循环类似，可以用continue来结束本次循环，也可以用break来跳出整个循环。

范围for的使用条件：

1.for循环迭代的范围必须是确定的：

对于数组而言，就是数组中第一个元素和最后一个元素的范围；对于类而言，应该提供 begin和end的方法，begin和end就是for循环迭代的范围。

注意：以下代码就有问题，因为for的范围不确定！

void TestFor(int array[])
{
    for(auto& e : array)
        cout<< e <<endl;
}

2.迭代的对象要实现++和==的操作。(关于迭代器这个问题，以后会讲，现在提一下，没办法讲清楚，现在大家了解一下就可以了)

9.指针空值nullprt(C++11)

在良好的C/C++编程习惯中，声明一个变量时最好给该变量一个合适的初始值，否则可能会出现不可预料的错误，比如未初始化的指针。如果一个指针没有合法的指向，我们基本都是按照如下方式对其进行初始化：

void TestPtr()
{
    int* p1 = NULL;
    int* p2 = 0;
    // ……
}

NULL实际是一个宏，在传统的C头文件(stddef.h)中，可以看到如下代码：

#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL   0
#else
#define NULL   ((void *)0)
#endif
#endif

可以看到，NULL可能被定义为字面常量0，或者被定义为无类型指针(void*)的常量。不论采取何种定义，在使用空值的指针时，都不可避免的会遇到一些麻烦，比如:

void f(int)
{
     cout<<"f(int)"<<endl;
}

void f(int*)
{
     cout<<"f(int*)"<<endl;
}

int main()
{
     f(0);
     f(NULL);
     f((int*)NULL);
     return 0;
}

程序本意是想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，因此与程序的初衷相悖。在C++98中，字面常量0既可以是一个整形数字，也可以是无类型的指针(void*)常量，但是编译器默认情况下将其看成是一个整形常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void *)0。

注意：

        1. 在使用nullptr表示指针空值时，不需要包含头文件，因为nullptr是C++11作为新关键字引入的。

        2. 在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。

        3. 为了提高代码的健壮性，在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr。